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大气环流的奥秘
2022-09-19

郑和七次下西洋以及地理大发现中的无数次海上远航,所使用的都是帆船,完全靠风力吹送.人们很早就发现了,地球上有些地带刮风的风向几乎是全年恒定不变的,这称之为定向风.哥伦布是第一个全面了解并充分利用了大西洋有规律风系的航海家.他在发现新大陆前,就已经有过好几次航海经验,他知道低纬度地区老是刮东风,中纬度地区则经常刮西风.所以哥伦布寻找新大陆的第一次航行,是沿着加那利群岛的纬度(约北纬28°)巧妙地借助东风向西驶去.但在返回西班牙时,他精明地先向北行驶到亚速尔群岛的纬度(约北纬39°),然后才张满风帆,乘着浩荡西风返回欧洲的.

航海家们利用的这种低纬度东风,在南北半球都有,北半球以东北风为主,南半球以东南风为主,年年如此,挺讲信用的,因此被人们称之为信风.

当时的一些商人掌握了这个规律,基本都依靠信风的吹送,来往于海洋上进行贸易经商活动,因而这种风又被商人们叫做贸易风.

自从发现了新大陆以后,西欧的商人们便纷纷组织大批船队装运马匹运往美洲,因为在那儿原来没有马,运输和农耕都很不方便.然而奇怪的是,当船队沿着北纬30°附近的大西洋航行时,常常遇到海面上死一般的寂静,没有风,闷热异常,帆船便只好无可奈何地在原地打转,乖乖等候顺风的到来,而有时一等就是10天半月.时间长了,马匹因缺少淡水、饲料纷纷病倒、死亡,水手们一时吃不掉那么多马肉,最后不得不将死马成批抛进大海.当时人们恐惧地把这一无风地带叫做"马的死亡线",又称"马纬度".此外,赤道带也是个无风带.

但是如果船队跨过了马纬度,进入中纬度海域航行,在南北纬度40°~50°附近,马上又会遇到与低纬度方向相反的西风.特别在南半球,这一纬度带没有大的陆地,海域非常辽阔,西风更为猛烈而且稳定,常常在海上掀起狂涛巨澜.1488年,葡萄牙航海家迪亚斯指挥两艘小船,驶往非洲大陆最南端,当船只来到南纬40°附近时,一场巨大的风暴将这两叶小舟在大海上吹荡了整整16天,值得庆幸的是最终他们被吹送到一个岬角上.心有余悸的迪亚斯还将这个岬角命名为风暴角(后葡萄牙国王认为这个岬角的发现,使通往富庶东方的航路有了打通的希望,改名好望角).南半球的西风带也因此而被人形象地称为"咆哮西风带"了.

随着航海事业的发展,人们更加急于了解,地球上为什么会有南北对称分布的定向风带及无风带,定向风为什么能这样信守自己的方向,又是什么力量掌握着定向风的方向呢?

首先发现信风的是英国天文学家哈雷,他因计算出一颗著名彗星的回归周期(76年)而享誉全球,这颗彗星后来就以他的大名命名.有人说他的伟大天才在于能将复杂的资料整理出某种头绪来.他对地学也曾有过许多贡献,他首创用图表法来说明地球自然现象的地理分布.1698~1700年他参加了为纯科学目标的第一次远航,并制成了世界上第一幅地磁变率图.1686年他在一本叫做《哲学学报》的杂志上发表他的信风理论,综述了三大洋盛行的风,并附了一张风图.文中正确地描述和刻划了热带风的基本特征——赤道无风,赤道以北盛行东北信风,以南则为东南信风.他认为信风的形成与太阳供给赤道较多的热有关.1688年,他又根据收集来的海洋上测风资料,绘出了北纬30°~南纬30°的世界上第一幅信风分布图.这种全球信风分布图,由于来自于实践,有观测资料作为基础,因此在航海中起了很大作用.

当时人们都参照信风图来科学地安排航行,把从英伦三岛到澳大利亚之间的航期,由250多天缩短到150天左右.这件事激起了人们进一步研究贸易风的兴趣,积极收集资料,并作理论的探讨.

1735年,另一位英国天文学家哈得莱发表了《关于信风之起因》一文,正确地解释了信风现象,从而创立了经圈环流的理论,并修正了哈雷关于西风是因太阳向西运行所造成的错误说法,而首次考虑由于地球自转对大气环流的影响.哈得莱认为,赤道地区接受的太阳热量要比极地多得多,因而赤道地区的空气受热变轻产生上升运动,极地的空气受冷变重产生下沉运动.

这样高空空气就由赤道向极地补充,低层空气则由极地流向赤道,从而形成一个沿经线方向运动的闭合的大环流圈.由于地球自转的影响,水平运动的物体都会发生偏向,在北半球向右偏,在南半球就向左偏.因此低层由极地流向赤道的气流就分别偏折成北半球的东北信风和南半球的东南信风;而高空由赤道流向极地的气流也都受到偏折,而形成高空的西风带,因下沉作用,又形成中纬度的地面西风带.他的这种环流理论,今天看来虽然相当粗糙,但在当时这个理论却成为日后气象学家研究大气环流的重要基础之一.为了纪念他的功绩,至今人们还把低纬度的经圈环流称为哈得莱环流.

哈得莱考虑到了地球自转的因素,但当时他还没有发现造成物体偏向的力,这个力是由法国数学家和物理学家科里奥利提出的.科里奥利小时候很喜欢郊游,经常跟着老师到野外观察.他发现北半球的大河,在两岸地质条件相似的情况下,总是右岸比左岸冲刷得厉害,这种奇怪现象在他幼小的心灵里便留下了难以忘却的疑问.他长大后经过反复研究,证明这是由于地球的自转,在地球表面产生了一种能使运动物体的方向发生偏斜的力,并把它叫做地球自转偏向力.后来人们为了纪念这种力的发现者,也把它叫做科里奥利力,简称科氏力.

曾经当过中学教师的美国人威廉.费雷尔,于1856年第一次把科氏力正确应用于解释大气环流,他用数学方法证明风受地球自转影响而偏向.他指出,正是由于科氏力的作用,才使北半球低纬度地面的盛行风向由北风右偏为东北风,南半球则由南风左偏为东南风.费雷尔还首次提出中纬度地区也存在一个经向环流圈,这里的近地面风向,原来是从低纬向高纬流动的,但由于科氏力的作用,北半球的南风偏转成西南风,南半球的北风偏转成西北

风,从而形成了中纬度地区的盛行西风带.由于这一环流圈的流向与哈得莱环流相反,所以人们称之为逆环流,同时也叫做费雷尔环流.

后来人们又知道,高纬度也有一个经向环流圈,称作极地环流,在近地面所形成的风带叫极地东风带.这样,在每个半球上就有三个风带.每两个风带之间是一个低气压带或高气压带.如北纬30°附近就是副热带高气压带,盛行下沉气流,风力微弱,也便是过去曾闻之色变的"马纬度".

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